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帶8051內核的系統(tǒng)級ADC芯片MSC1210介紹及應用
摘要：介紹德州儀器公司最近出品的帶有高性能8051內核的系統(tǒng)級ADC芯片——MSC1210。說明8051內核單片機的特點、懷能以及片上Flash、24位高精度A/D轉換器的使用方法。利用MSC1210豐富的片上資源，可以很簡單地構建精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。關鍵詞：MSC1210 SoC 24位ADC FGA
MSC1210是德州儀器公司推出的系統(tǒng)級高精度ADC芯片系列，內置24位低功∑—ΔADC前端信號調理電路—多路模擬開關、緩沖器、PGA、電壓參考，且集成了高性能8051處理器內核、Flash存儲器和32位累加器、兼容SPI串口等多片上外設。對于要求何種小、集成度高、精度高的測量系統(tǒng)，MSC1210是理想的選擇。
MSC1210的系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
1 MSC1210中高性能8051內核介紹
MSC1210系列芯片的所有指令與標準801兼容，相同各標志位、功能寄存器的功能也是一致的。但MSC1210在速度上有很大的提高：對于同樣的外部時鐘，指令執(zhí)行速度提高1.5～3倍，這就使用戶可以使用較低的外部時鐘，以降低系統(tǒng)的哭聲和功耗。此外，MSC1210相對8051單片機還新增了一些功能寄存器，以完成對外設的控制功能。如可編程看門狗定時器，對系統(tǒng)程序的運行進行監(jiān)控，確保系統(tǒng)可靠運行。片上具有兩個全雙工的UART，使得在開發(fā)模式有一個串口被占用的情況下，仍有一個可留給用戶使用。增加的帶有FIFO的SPI接口和PWM，為特定應用提供了極大的方便。
MSC1210還提供了雙數(shù)據(jù)指針，可以加速整塊數(shù)據(jù)的移動。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，還可以使訪問周期延展2～9個指令周期，以適應不同的外設速度。32位的累加器也可顯著地減少系統(tǒng)開銷。它可在幾個指令周期內完成24位ADC結果的加法或移位操作，而同樣的操作用軟件完成則需要上百個指令周期。
MSC1210內部的時鐘控制電路可以方便地設置不同的時鐘信號。其秒、毫秒、微秒定時中斷寄存器可以為系統(tǒng)定時控制提供方便，如設置內部Flash擦除時間、寫入時間。MSC1210的所有I/O口都可以通過寄存器，配置成標準8051（上拉）、CMOS輸出、漏極開路輸出、輸入四種方式中的一種。
圖1
2 MSC1210中存儲器配置和使用
MSC1210的片內存儲器包括：特殊功能豁口（SFR），F(xiàn)lash寄存器，Scratchpad RAM,Boot Rom和SRAM。MSC1210內置256字節(jié)的片內數(shù)據(jù)存儲器和128字節(jié)的SFR，這與8051內核單片機是相同的；唯一的區(qū)別是MSC1210定義了更多的特殊功能寄存器。MSC1210的位地址空間也與8051相同，內部RAM中的20H～2FH以及SFR中以0或8結尾的字節(jié)，都是可位尋址的。
MSC1210中還有2KB的Boot Rom,用來控制串/并行編程時的操作。當Boot Rom使能時，其中的程序在用戶模式下是可以訪問的，這時，它的程序被定位在F800H～FFFFH；而在編程模式下，Boot Rom被定位在程序存儲器開始的2KB中。Boot Rom中含有一些調試編程常用的程序，如：
void autobaud(void);//設置波特率
char write_flash_chk(int fadd,char fdat,char fdm);//寫Flash并校驗
根據(jù)型號的不同，MSC1210系列有4KB到32KB的Flash存儲器。此外，片內還提供1KB的SRAM作為數(shù)據(jù)存儲器。它也是通過MOVX指令訪問的。SRAM的地址可從0000H或8000H開始，而Flash數(shù)據(jù)存儲器的地址緊接SRAM。
Flash存儲器作為數(shù)據(jù)存儲器使用前，首先要對硬件寄存器0（HCR0）的低3位進行設置，分配數(shù)據(jù)存儲空間的大小。根據(jù)晶振頻率，設置MSEC和USEC寄存器來提供Flash存儲器的擦除和寫時間。擦除和寫入可以直接調用Boot Rom中的程序，編程示意代碼如下：
#include<stdio.h> //頭文件引用
#include<msc1210.h>
#include“rom1210.h”
#define PAGESTART 0x0400 //定義進行改寫的頁面
#define PAGESIZE 0x80
char xdata*Pflashpage;定義指向此頁面的指針
char xdata buffer[PAGESIZE];//在XRAM里開辟緩沖區(qū)
int main()
{char result;unsigned char i;
autobaud();//調用BootRom中子程序，自動設置波特率，與計算機通信，返回調試信息
Pflashpage=(char xdata*)PAGESTART
USEC=12-1;MSEC=12000-1; //以12MHz晶振為例，設置
………… //毫秒、微秒寄存器
for(i=0;i<pagesize;i++)//從Flash中讀取一個頁面到XRAM
buffer[i]=*Pflashpage++;
buffer[0]+=1; //改變首字節(jié)值以重新寫入
page_erase(PAGESTART,0XFF,DATA_FLASH);//擦除頁面內容，BootRom內帶程序
result=0;
for(i=0;i<pagesize;i++)
result=result|write_flash_chk(pagestart+i,buffer[i],DATA_FLASH);//將修改后的數(shù)據(jù)寫入，Boot Rom內帶程序
3 高性能24位ADC及其應用
MSC1210內帶8路24位模數(shù)轉換器，自身可實現(xiàn)溫度檢測、輸入源泉開路短路檢測、增益和漂移校準等。內核中的32位累加器可實現(xiàn)24位結果的快速累加計算。
輸入多路轉換器將切換多路模擬輸入信號到輸入緩沖器。共有9路輸入信號，其中1路為片內溫度傳感器信號，其余8路每路輸入可設置單極性輸入或差分輸入，通過ADMUX寄存器可隨意配置其輸入信號的正確與負端。片內配置有模擬輸入緩沖，當使用輸入緩沖時，典型輸入阻抗為10GΩ；當不使用模擬輸入緩沖時，輸入阻抗（單位為Ω）由時鐘頻率與增益決定：
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PGA的增益可以設置為2 n(n=0～7)。通過PGA的使用，可以用效提高A/D轉換結果的分辨率。如輸入信號幅度為40mV，設置PGA=128，最小分辨率可達75nV。PGA的模擬輸入可以通過設置ODAC寄存器進行偏置，最大偏置為輸入范圍的一半。
ADC的轉換結果存儲在ADRESH（高字節(jié)）、ADRESM（中字節(jié)）、ADRESL（低字節(jié)）中，配合總和寄存器和移位寄存器，可以方便地實現(xiàn)多次測量結果的累加和平均。總和寄存器是1個32位的值，被分為SUMR0（LSB）、SUMR1、SUMR2、SUMR3（MSB），可以進行最大256次測量結果的累加和平均。當然，要得到測量結果的平均值，應當使累加次數(shù)和平均次數(shù)一致。通過SSCON寄存器，可以設置成以下4種工作方式。
方式0：手動累加，每次測量完畢，將測量結果寫入總和寄存器，完成累加。
方式1：ADC自動累加，根據(jù)SSCON中設置的累加次數(shù)，自動將測量結果累加到總和寄存器。
方式2：手動求平均值，將總和寄存器中的值除以次數(shù)，得到測量結果。
方式3：ADC自動累加后求平均，根據(jù)SSCON中設置的累加次數(shù)，自動完成測量結果的累加后求平均值。
下面的示意代碼完成ADC高精度測量過程。單次測量結果可以通過直接讀取ADRESH、ADRESM、ADRESL得到。
//設置ADC
PDCON&=0x0f7; //打開轉換器，系統(tǒng)時鐘開啟
ACLK=9； //設置ACLK頻率
ADMUX=0x08; //選擇第一通道正極性，AINCON負極性
ADCON0=0x30;//選擇片內參考電壓1.25V，關閉緩沖器，PGA=1
ADCON1=0x41;//單極性，濾波器自動模式，自校準
for(i=0;i<4;i++) //四個采樣周期自校準
{while(!(AIE&0X20));
resultl=ADRESL;
resultm=ADRESM;
resulth=ADRESH;}
SSCON=0XDB; //方式3，ADC自動累加后求平均，采樣16次累加
While(!(AISTAT&0X40));//等待16次采樣結果被累加完成
SMU=（SUMR3〈〈24〉+（SUMR2〈〈16〉+（SUMR1<<8）+SUMR0;
4 MSC1210調試方式
MSC1210可以通過串口對Flash編程，內部Boot Rom中提供了調試用的相關函數(shù)，避免了購買昂貴的開發(fā)設備，使基于MSC1210的開發(fā)變得非常簡單。
硬件方面需要在開發(fā)板上加一個RS232轉換芯片，將MSC1210的串口和計算機串口之間連接起來；同時，設置上電時ALE和PSEN的狀態(tài)來確定其編程/工作方式。MSC1210有串行和并行兩種編程模式：PSEN=0、ALE=1時，為串行模式，即在線編程；PSEN=1、ALE=0時，為并行模式，要用到第三方的編程器。當二者皆為高電平時，為一般用戶模式。一般用戶模式允許對Flash程序存儲器和Flash數(shù)據(jù)存儲器編程。如復位時檢測到一般模式，則編程模式結束。
軟件方面，TI公司提供了TI Downloader插件，可以直接與Keil配置使用。安裝完成TI download后，打開Keil,在Tools里面選擇Customize Tools Menu,添加TI Downloader插件，并對其進行配置，如圖2所示。
在Argument選項中，可以填入的參數(shù)為[/Ffilename][/Xcrystal freq.][/Poort][/Bbaud reat][/Hhwdconfig][/Tterm]
/Ffile:目標文件（.hex格式），在Keil環(huán)境中會自動用項目的目標文件代替（必選項）。
/Xfeq:MSC1210晶振頻率（必選），X11指11.0592MHz。
/Pport:PC串口選擇（必選須）。
/Bbaud:波特率（可選項）。
/H：如果設置該選項，則硬件寄存器被編程。
/T：如果設置該選項，下載完成后將弱出調試終端窗口（可選項）。
硬件配置寄存器（HCR0/HCR1）只能在編程模式下進行改寫。此時，HCR0的地址為代碼區(qū)807FH，HCR1的地址為807EH。通過如下程序進行配置（HCR0、HCR1各內容參見MSC1210 Datasheet）:
CSEG AT0807EH ；代碼區(qū)地址設定
DB 0FCH ；HCR1的配置內容
DB 0FFH ；HCR0的配置內容
5 總結
MSC1210以其優(yōu)越的模擬和數(shù)字性能，可以輕松地構建高精度測量系統(tǒng)。我們以MSC1210為核心，輔以少量的外圍設備，設計了發(fā)電機轉子繞組接地位置檢測儀。充分利用了MSC1210的高精度優(yōu)勢，使故障定位的準確度有了很大提高。可以預見，MSC1210是便攜式高精度測量系統(tǒng)的最佳選擇。
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